塑料電子元器件前景看好

塑料是人類(lèi)在20世紀的重大發(fā)明之一,曾經(jīng)在電子產(chǎn)品的外殼制造中立下汗馬功勞。塑料也曾經(jīng)小心翼翼地試圖進(jìn)入電子產(chǎn)品的內部, 并且也確實(shí)成為制造某些電子元器件產(chǎn)品的重要原料之一。然而，塑料試圖進(jìn)入電子產(chǎn)品的核心部件──半導體芯片的努力，多年以來(lái)一直未能成功,只是在2000年榮獲諾貝爾獎的兩位美國和一位日本科學(xué)家發(fā)明了導電塑料之后,塑料才得以堂堂皇皇地登皇入室,成為新一代電子芯片的主角。

多年以來(lái),硅晶體一直在電子材料領(lǐng)域居于龍頭老大的霸主地位，那么, 新崛起的塑料何以能夠向硅晶體的霸位發(fā)起沖擊呢?

原來(lái),硅晶體之所以能夠長(cháng)期成為電子材料領(lǐng)域的佼佼者,是由于硅晶體具有獨特的優(yōu)勢。在硅晶體制造的電子元器件和芯片中,載流子能以0.1m2/V.s的高遷移率快速傳輸。但在目前的生產(chǎn)工藝條件下,硅晶體的生產(chǎn)成本十分昂貴，尤其是那些對成本比較敏感的消費電子產(chǎn)品行業(yè),往往難以承受這種過(guò)于高昂的成本,因此,科學(xué)家們不得不想方設法尋找其他的廉價(jià)替代品。

而作為晶狀硅雛形的非晶硅,雖然價(jià)格也比較低廉,但是問(wèn)題在于,晶狀硅芯片與非晶狀硅芯片都很硬脆、易碎、比重大,都不是可供大消費品選擇的佳品,因此取代非晶硅是塑料芯片短期內的目標。

制造一面大顯示屏,如采用硅材料是難以成功的,因為其成本太高,太重,技術(shù)難度也很大。更為糟糕的是,晶狀硅材料的生產(chǎn)和加工難度高、費時(shí)久、耗資大，涉及到潔凈室與生產(chǎn)線(xiàn),生產(chǎn)成本高得難以接受。舉例來(lái)說(shuō),一塊晶狀硅片的生產(chǎn)成本每平方英寸就需要200美元。 但利用非晶狀硅可以把生產(chǎn)成本降低到每平方英寸為2美元,如果利用塑料半導體生產(chǎn)晶片，成本則可以大幅度降低到每平方英寸10美分。

奧地利科學(xué)家采用聚苯乙烯等塑料制造成功一款太陽(yáng)能電池,效率達到3%,盡管這一效率還嫌稍低,但是由于它是在世界上首次采用塑料研制而成的, 因此這項成果引起了業(yè)界的普遍關(guān)注。

克里斯蒂安·多普勒公司的科學(xué)家們研究開(kāi)發(fā)的這項塑料太陽(yáng)能電池制造技術(shù),其特點(diǎn)是成本較低，解決了長(cháng)期以來(lái)太陽(yáng)能電池制造成本過(guò)于高昂的老大難問(wèn)題, 使太陽(yáng)能利用的普及化顯露出一線(xiàn)新的希望。

太陽(yáng)能電池的研制基于導電塑料的理論,需要采用具有半導體性能的導電塑料。奧地利科學(xué)家在研制太陽(yáng)能電池的過(guò)程中, 采用了聚苯乙烯等碳氫化合物以及由純碳組成的富勒式結構,將這些物質(zhì)進(jìn)行混合之后,進(jìn)一步制造出質(zhì)地柔軟的薄膜,在薄膜的兩面借助蒸發(fā)工藝涂敷一層銦錫氧化物或者鋁金屬作為電極。由于聚苯乙烯受到光照時(shí)能夠釋放出電子,而富勒式結構能夠吸收電子,這時(shí),如果把燈泡連接到兩個(gè)電極上,電子會(huì )流動(dòng)，從而使燈泡發(fā)光。塑料太陽(yáng)能電池的最大優(yōu)勢是制造簡(jiǎn)易,耗能極少,成本低廉,因而解決了長(cháng)期以來(lái)硅太陽(yáng)能電池制造中耗能太大以及成本高昂的瓶頸問(wèn)題,因此其應用前景十分看好。美國新推出的一款導電塑料電池,是采用一種稱(chēng)為聚苯胺的導電塑料制造一個(gè)電極，另外一個(gè)電極是鋰,生產(chǎn)出僅有一枚硬幣大小的可以重復充電的導電塑料電池。德國廠(chǎng)商也用導電塑料制造出僅有普通明信片一般大小的薄型撓性導電塑料電池,可作為便攜式產(chǎn)品的電源。

荷蘭飛利浦(Philips)公司新推出一款輕薄柔軟的塑料計算機顯示屏,用來(lái)制造這種顯示屏的材料就是塑料基半導體,而不是傳統的硅基半導體。 據飛利浦公司透露,采用塑料基半導體生產(chǎn)這種輕薄塑料顯示屏的工藝過(guò)程,比采用硅基半導體生產(chǎn)簡(jiǎn)單得多,對生產(chǎn)廠(chǎng)房的無(wú)塵環(huán)境的要求也低得多,因而其生產(chǎn)成本較低,售價(jià)也極其低廉,從而有望在將來(lái)有朝一日，采用這種廉價(jià)的輕薄顯示屏取代傳統的報紙。此外,用塑料基半導體生產(chǎn)的輕薄顯示屏極其容易進(jìn)行拼接裝配,從而容易制造出更大尺寸的顯示屏幕，在戶(hù)外廣告領(lǐng)域大有用武之地。

IBM公司的科學(xué)家們一直在研究利用有機材料與無(wú)機物的混合物來(lái)研制晶體管。IBM稱(chēng)，它已成功地在室溫狀態(tài)把這種材料的薄膜從溶液中分離出來(lái)。這種做法大大降低了設備成本。而在低溫狀態(tài)下加工也許會(huì )使這種材料能夠沉淀在一系列基層材料上面，其中包括塑料。IBM公司近日宣布研制成功一種很薄、很柔軟的晶體管,用這種晶體管制造出來(lái)的計算機顯示屏,也像紙一樣可以卷起來(lái)，因此其用途很廣泛。這種晶體管是用一層很薄的材料制成的,它能夠涂到塑料上,也可以噴射到塑料上,冷卻之后,即成為一種極薄的晶體管。在室溫環(huán)境里, 將相應的有機物和無(wú)機物溶解在溶液中,就能直接進(jìn)行噴涂,制成顯示屏幕。與目前的計算機顯示屏，尤其是筆記本電腦顯示屏需要在高溫下制造不同的是，用這種薄而軟的晶體管可以在室溫下制造計算機屏幕,其制造成本可以大幅度降低,而且這種計算機屏幕的質(zhì)量極佳,可謂價(jià)廉物美，市場(chǎng)潛力很大。不過(guò),IBM的科學(xué)家們目前還無(wú)法保持這種材料的穩定性,一旦暴露于空氣中,它就會(huì )迅速變質(zhì)。

日本科學(xué)家研制出包含幾百個(gè)有機計算機芯片的柔韌的導電塑料，采用這種導電塑料制造出了新穎的平板顯示器和電子標簽; 導電塑料制造的顯示屏可用于移動(dòng)電話(huà)手機、太陽(yáng)能電池和微型電視等;導電塑料制造的新款芯片,可大大減少計算機的體積,大大提高計算機的運算速度;導電塑料可以用作攝影膠片的抗靜電劑 ,可以用作計算機屏幕的防電磁輻射裝置,還可以用作智能型窗戶(hù)的防紫外線(xiàn)裝置等。導電塑料兼有易加工和導電的雙重優(yōu)點(diǎn),因此,只需采用擠壓成型法就可以生產(chǎn)出各種型號的印制電路板,這些印制電路板可以廣泛地應用于家用電器、 電子機械和汽車(chē)部件等。

英國劍橋顯示技術(shù)公司(CDT)研制成功的發(fā)光聚合物(LEP)顯示技術(shù)是一種全新的顯示技術(shù),這種新型顯示技術(shù)將對目前廣泛使用的發(fā)光二極管(LED)和液晶顯示器 (LCD)技術(shù)提出嚴峻的挑戰。LEP技術(shù)還可用于開(kāi)發(fā)與陰極射線(xiàn)管(CRT)媲美的產(chǎn)品。英國劍橋顯示技術(shù)公司和日本愛(ài)普生公司已經(jīng)聯(lián)合研制成功一款2英寸、僅2mm厚的單色顯示器以及12英寸的彩色顯示器。

LEP技術(shù)的發(fā)明人理查德·佛雷德和安德魯·霍姆斯發(fā)現,置于電極間的PPV材料能夠發(fā)出黃-黃綠光。最初,由于發(fā)光效率低于0.01%,其實(shí)用價(jià)值被低估了。最近,通過(guò)改進(jìn)聚合物的化學(xué)成份和發(fā)光裝置的結構,其效率提高到了2.5%,達到了LED水準。新款LEP顯示器是在玻璃或塑料基材上添加發(fā)光聚合物薄膜,并由透明的氧化銦、錫電極包著(zhù),再在聚合物上形成鋁電極。在兩個(gè)電極間加上電場(chǎng)作用,聚合物就會(huì )發(fā)光。

發(fā)光聚合物顯示器重量輕、能耗低、斷面薄、柔性好, 在制造便攜式PC機、攝像機及數字攝像機監視器、無(wú)線(xiàn)電話(huà)等便攜裝置中大有用武之地。

發(fā)光聚合物也可以制造大型的電視顯示器,這種顯示器具有發(fā)光二極管的特性,達到能精確地顯示活動(dòng)圖像所需要的快的開(kāi)關(guān)速度。與發(fā)光二極管相比,它可用到大的平板顯示器中,而且成本低,視角不受限制,不會(huì )出現液晶顯示器中快動(dòng)作時(shí)顯像滯后而造成的圖像模糊的問(wèn)題。

LEP技術(shù)的初期目標是用于替代對空間、 低電壓和低功耗要求嚴格的現有液晶顯示的背景照明,例如移動(dòng)電話(huà)的屏幕顯示等,以后再逐漸替代LED和LCD，使用于消費類(lèi)電子產(chǎn)品,例如個(gè)人數字助理(PDA)、CD機、電動(dòng)剃須刀、鬧鐘、收音機。LEP技術(shù)后期將進(jìn)入電視機領(lǐng)域。

最近,科學(xué)家已經(jīng)成功地利用成本低廉的塑料來(lái)取代用于制造集成電路(IC)芯片的硅晶體。

眾所周知,塑料是由許多排列無(wú)序的大分子組成的,當通電時(shí), 隨電流增大,塑料內部會(huì )形成凌亂的網(wǎng)狀物,馬上停止導電。不過(guò),科學(xué)家在80 年代中期獲得了一個(gè)重大發(fā)現:塑料具有半導體特性,有機聚合物塑料也具有傳輸電流的功能,只是導電速度非常慢。這個(gè)發(fā)現為科學(xué)家進(jìn)一步開(kāi)展塑料導電的研究帶來(lái)了一線(xiàn)希望。90年代,科學(xué)家們進(jìn)一步發(fā)現,通過(guò)在塑料內部摻入某些物質(zhì)，可以改變其物理化學(xué)特性,使其有較好的導電性能。為了使塑料能夠替代硅而成為新一代半導體材料，還需要對塑料的特性進(jìn)行微調，精確地控制塑料內部的結構變化,添加特殊的化學(xué)物質(zhì)。用來(lái)制造芯片的塑料與聚乙烯等傳統塑料在概念上是完全不同的,它們是諸如噻吩和寡噻吩等新型成員,可以利用一種與干絲網(wǎng)印刷或者噴墨印刷技術(shù)相似的方法來(lái)制造塑料芯片。

英國劍橋大學(xué)的科學(xué)家們創(chuàng )辦了一家塑料芯片技術(shù)公司, 利用噴墨打印技術(shù)和設備,將碳基材料的微細顆粒噴射到芯片的基底上,制造出一種塑料半導體新材料。在制造這種塑料半導體材料時(shí),噴墨打印機可以達到25mm的打印精度，盡管這與目前最先進(jìn)的微處理器芯片所需的0.2mm的精度還有不小的差距,但是, 這對于制造某些塑料電子元器件來(lái)說(shuō),已經(jīng)游刃有余了。

另外,科學(xué)家們還研制出一種可以制造塑料芯片的有機材料,它表現出高性能遷移特性,其范圍相當于非晶硅。這項科研成果的核心就是并五苯(Pentacene)。誠然, 并五苯也有其不足之處,例如,它一定要在真空狀態(tài)下加工,這就增加了生產(chǎn)成本,而且并五苯的保存壽命不長(cháng),在受控制的實(shí)驗室環(huán)境里最多僅能保存一年,而在自然環(huán)境下,平均只能保存1～3周。

雖然并五苯有著(zhù)這些局限性,但卻是迄今為止科學(xué)家們發(fā)現的最理想的研究材料。在最近幾個(gè)月,世界上幾家著(zhù)名的實(shí)驗室都利用并五苯作為研究對象,獲得了一些引人矚目的研究成果。貝爾實(shí)驗室的科學(xué)家在并五苯的基礎上研制出了一種名叫F-15的有機材料。利用威爾祖斯喻作絲網(wǎng)印制法的一種工藝, 可將這種類(lèi)似特氟隆的聚合物沉淀在塑料基層上面。2000年6月,貝爾實(shí)驗室將其塑料晶體管技術(shù)許可授給了生產(chǎn)電子墨水與屏幕的E Ink公司。朗訊與E Ink正在合作研制電子紙原型,這種細薄的塑料片可望充當顯示屏?？茖W(xué)家們展望這樣一種產(chǎn)品:它能立即通過(guò)計算機更新。除此之外,還可應用于電子書(shū)藉與屏幕、蜂窩電話(huà)以及手持式設備。

目前,已有多家IT業(yè)大公司宣布成立塑料芯片的研究項目,如IBM、三菱、日立、朗訊、施樂(lè )、飛利浦和Hoechet公司等,這些公司表示將在21世紀投入巨資研究開(kāi)發(fā)塑料芯片,使塑料芯片在將來(lái)有朝一日能夠與硅芯片平分秋色,使芯片世界變得更加五彩斑斕、多姿多彩?！?/font>